KR20190096361A - Method for improving wettability of surface of solid substrate by liquid metal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 또는 세라믹 유형의 제1 금속으로부터 제조되는 고체 기판을 처리하는 방법이며, 상기 방법은 기판이 전력파(power wave)라 불라는 초음파에 노출되는 동안 액체 금속과 접촉하도록 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 기판의 표면 레벨에서, 전력 밀도는 액체 금속의 캐비테이션 임계값보다 더 크다. 이러한 노출은 액체 금속에 의한 기판 표면의 습윤성을 개선한다.The present invention is a method of processing a solid substrate made from a first metal of metal or ceramic type, the method comprising placing a substrate in contact with a liquid metal while the substrate is exposed to an ultrasonic wave called a power wave. Steps. At the surface level of the substrate, the power density is greater than the cavitation threshold of the liquid metal. This exposure improves the wettability of the substrate surface by the liquid metal.
Description
본 발명의 기술분야는 고전력 초음파에의 노출의 영향 하에서의 액체 금속에 대한 재료 표면의 습윤성의 변경이다.The technical field of the present invention is the alteration of the wettability of the material surface to the liquid metal under the influence of exposure to high power ultrasound.
일부 적용예에서, 코팅 금속으로 알려진 금속층을 기판 상에 형성하는 것이 필수적이다. 이는, 예를 들어, 알루미늄 와이어가 전기 도체로서 사용되도록 의도되는 경우이다. 이 와이어의 낮은 질량으로 인해, 상기 와이어가 특히 자동차 또는 항공 용도의 적용에 특히 적합하게 된다. 표면 상의 절연 산화층의 형성 때문에, 알루미늄 와이어는 품질이 좋은 전기적 연결을 얻기에 불리한 높은 표면 저항을 가진다. 와이어가 큰 단면적을 가질 때, 니켈 층을 이용한 코팅은 특허 FR2796656에 설명되어 있다. 이 특허의 대상인 방법은 직경이 0.5 cm에 가까운 와이어에 대하여는 작동하지만, 너무 느리기 때문에, 예를 들어, 0.2 mm인 더 작은 직경의 와이어에는 만족스럽지 않다. 알루미늄 와이어 상에서의 주석 또는 텅스텐 유형의 코팅 금속의 접착성을 향상시키기 위하여, 화학적 표면 처리 및 전기 화학적 표면 처리가 개발되었다.In some applications, it is necessary to form a metal layer, known as a coating metal, on the substrate. This is the case, for example, when aluminum wire is intended to be used as an electrical conductor. The low mass of this wire makes the wire particularly suitable for automotive or aviation applications. Because of the formation of an insulating oxide layer on the surface, aluminum wire has a high surface resistance, which is disadvantageous for obtaining a good electrical connection. When the wire has a large cross sectional area, coating with a nickel layer is described in patent FR2796656. The method of this patent works for wires close to 0.5 cm in diameter, but because it is too slow, it is not satisfactory for smaller diameter wires, for example 0.2 mm. In order to improve the adhesion of tin or tungsten type coating metals on aluminum wires, chemical surface treatments and electrochemical surface treatments have been developed.
본 발명자들은 기판, 예를 들어 알루미늄 기판 상에 액상의 코팅 금속의 양호한 접착성을 얻기 위해 다른 방법이 사용될 수 있다는 것을 입증하였다. 이들은 기판의 습윤성(wettability)이, 사용하기 간단하고 산업적 적용과 양립하는 물리적인 공정에 의해 증가될 수 있다는 것을 보여주었다. 또한, 이들은 습윤성의 증가가, 기판 상에 금속 코팅을 적용하는 것 이외에, 다른 적용예에서 활용될 수 있다는 것을 발견하였다.We have demonstrated that other methods can be used to obtain good adhesion of the liquid coating metal onto a substrate, for example an aluminum substrate. They have shown that the wettability of a substrate can be increased by a physical process that is simple to use and compatible with industrial applications. In addition, they have found that the increase in wettability can be utilized in other applications, in addition to applying a metal coating on a substrate.
본 발명의 하나의 대상은,One object of the present invention,
a) 고체 기판을 인클로저(enclosure) 내부에 가두어진 액체 금속과 접촉하게 하는 단계;a) bringing the solid substrate into contact with the liquid metal confined within the enclosure;
b) 액체 금속 내에서 전력 초음파(power ultrasonic) 생성 장치에 의해 방출된, 전력파(power wave)라 불리는, 초음파를 전파시키는 단계로서, 고체 기판의 표면에서, 초음파 전력파의 전력 밀도가 액체 금속의 캐비테이션 임계값(cavitation threshold)보다 더 크게 되도록, 초음파 전력파는 고체 기판의 표면에 도달하기 전에 액체 금속을 통해 전파하고, 초음파 전력파의 주파수는 10 kHz 내지 250 kHz인 것인 단계;b) propagating an ultrasonic wave, called a power wave, emitted by a power ultrasonic generation device in the liquid metal, wherein at the surface of the solid substrate, the power density of the ultrasonic power wave is a liquid metal. The ultrasonic power wave propagates through the liquid metal before reaching the surface of the solid substrate, such that the frequency of the ultrasonic power wave is between 10 kHz and 250 kHz so as to be greater than a cavitation threshold of.
c) 초음파 전력파의 전파 후에, 액체 금속 내에 캐비테이션 버블(cavitation bubble)을 획득하는 단계로서, 캐비테이션 버블은 고체 기판의 표면에 도달하고, 고체 기판의 표면과 캐비테이션 버블의 상호 작용은 액체 금속에 의한 표면의 습윤성을 증가시키는 것인 단계c) after propagation of the ultrasonic power wave, obtaining a cavitation bubble in the liquid metal, wherein the cavitation bubble reaches the surface of the solid substrate and the interaction of the surface of the solid substrate with the cavitation bubble is caused by the liquid metal. Increasing the wettability of the surface
를 포함하는, 고체 기판을 처리하는 방법이다.It is a method of processing a solid substrate, including.
캐비테이션 임계값은, 이 임계값을 넘으면 캐비테이션 버블이 액체 금속 내에 형성되는 초음파 전력파의 전력 밀도를 의미한다. 이것은 체적 전력 밀도 또는 표면 전력 밀도일 수 있다. 일반적으로, 단계 b) 동안, 표면 전력 밀도는 1 W/cm2 또는 심지어 5 또는 10 W/cm2보다 더 크다.The cavitation threshold refers to the power density of ultrasonic power waves in which cavitation bubbles are formed in the liquid metal when this threshold is exceeded. This may be a volume power density or a surface power density. In general, during step b), the surface power density is greater than 1 W / cm 2 or even 5 or 10 W / cm 2 .
고체 기판은 용융 온도가 액체 금속의 용융 온도보다 높은 제1 금속으로 형성된다.The solid substrate is formed of a first metal whose melting temperature is higher than the melting temperature of the liquid metal.
바람직한 실시예에 따르면, 초음파 전력파의 주파수는 40 kHz보다 더 크고, 바람직하게는 40 kHz 내지 80 kHz이다. 이것은 고체 기판의 표면 상태를 손상시키지 않으면서 액체 금속에 의해 고체 기판의 표면의 습윤성을 증가시키는 것을 가능하게 한다.According to a preferred embodiment, the frequency of the ultrasonic power wave is greater than 40 kHz, preferably 40 kHz to 80 kHz. This makes it possible to increase the wettability of the surface of the solid substrate by the liquid metal without damaging the surface state of the solid substrate.
유익하게는, 단계 c) 동안, 음향 전력파는, 인클로저 내부에서, 액체 금속 내에, 1 cm보다 더 큰, 바람직하게는 5 cm보다 더 큰 전파 거리로 전파된다.Advantageously, during step c), the acoustic power wave propagates within the enclosure, in a liquid metal, at a propagation distance of greater than 1 cm, preferably greater than 5 cm.
초음파 전력파는 특히 전력 생성기로부터 전파되어, 액체 금속과 접촉하여 연장되는 이른바 경계면을 통과할 수 있고, 상기 방법은, 하이퍼 캐비테이션 콘(hyper-cavitation cone)이라 불리는 원추부(15) 내부에 캐비테이션 버블을 형성하는 단계를 포함하고, 캐비테이션 버블의 밀도는 원추부의 외부에서보다 더 크고, 하이퍼 캐비테이션 콘은 경계면으로부터 액체 금속 내에서 연장되고, 상기 방법은, 단계 c)에서 고체 기판이 하이퍼 캐비테이션 콘 외부에 배열되게 하는 것이다. 특히, 경계면은 초음파 전력파가 전파되는 고체 벽일 수 있다. 이는 인클로저의 벽의 일부이거나 음향 전력파가 전파되는 도파관을 한정하는 벽일 수 있다.Ultrasonic power waves can propagate, in particular, from a power generator and pass through a so-called interface that extends in contact with the liquid metal, which method utilizes cavitation bubbles inside a
일 실시예에 따르면, 고체 기판은 금속 또는 세라믹 기판일 수 있으며, 상기 방법은 다음의 추가 단계들, 즉According to one embodiment, the solid substrate may be a metal or ceramic substrate, the method further comprising the following additional steps, namely
d) 바람직하게는 1초 내지 1분인 노출 기간 동안, 초음파 전력파에 기판을 노출시키는 단계로서, 액체 금속은 기판 상에 코팅층으로서 알려진 층을 형성하는 단계;d) exposing the substrate to ultrasonic power waves, preferably during an exposure period of 1 second to 1 minute, wherein the liquid metal forms a layer known as a coating layer on the substrate;
e) 인클로저로부터 기판을 제거하는 단계;e) removing the substrate from the enclosure;
f) 제거 이후에, 기판 상에 부착물(deposit)을 형성하도록 액체 금속을 응고시키는 단계f) after removal, solidifying the liquid metal to form a deposit on the substrate
를 포함한다.It includes.
본 실시예에 따르면, 기판은 금속성일 수 있고, 금속은 엄격히 액체 금속의 용융 온도보다 더 큰 용융 온도를 갖는 기판을 포함한다. 단계 f)에서 형성된 부착물이 전기 전도성 부착물이 되도록, 액체 금속은 전기 전도성 금속일 수 있다. 액체 금속은 특히 주석, 아연 또는 납을 함유할 수 있다. 단계 f) 동안 형성된 부착물의 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 내지 2 mm이다.According to this embodiment, the substrate may be metallic, and the metal comprises a substrate having a melting temperature that is strictly greater than the melting temperature of the liquid metal. The liquid metal may be an electrically conductive metal such that the deposit formed in step f) is an electrically conductive deposit. The liquid metal may especially contain tin, zinc or lead. The thickness of the deposit formed during step f) is preferably between 5 μm and 2 mm.
일 실시예에 따르면, 액체 금속은 알루미늄을 포함한다. 그 다음, 이는 바람직하게는 1% 미만의 질량 분율의 마그네슘을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the liquid metal comprises aluminum. It may then comprise a mass fraction of magnesium, preferably less than 1%.
일 실시예에 따르면,According to one embodiment,
- 초음파 제어 장치는 액체 금속 내에서, 커플링 표면(coupling surface)으로서 알려진 표면을 통해, 제어파라 불리는 초음파를 전파하고, 상기 커플링 표면은 액체 금속과 접촉하여 연장되는 고체 기판의 표면이고;The ultrasonic control device propagates an ultrasonic wave called a control wave in the liquid metal through a surface known as a coupling surface, the coupling surface being the surface of the solid substrate extending in contact with the liquid metal;
- 고체 기판은 커플링 표면에 의해 범위가 정해져서,The solid substrate is delimited by the coupling surface,
단계 c) 동안, 액체 금속 내에서, 커플링 표면을 통해, 초음파 제어파의 전송을 개선하도록 액체 금속에 의한 고체 기판의 표면의 습윤성이 증가된다. 액체 금속 내의 초음파 제어파의 전력 밀도는 일반적으로 캐비테이션 임계값 미만이다.During step c), the wettability of the surface of the solid substrate by the liquid metal is increased in the liquid metal to improve the transmission of the ultrasonic control wave through the coupling surface. The power density of the ultrasonic control waves in the liquid metal is generally below the cavitation threshold.
초음파 제어 장치는 인클로저 외부에 배치될 수 있고, 이때 커플링 표면은 인클로저와 초음파 제어파가 전파되는 액체 금속 사이의 계면에 대응하고, 고체 기판은 커플링 표면에 의해 범위가 정해지는 인클로저의 일부에 의해 형성된다.The ultrasonic control device may be disposed outside the enclosure, where the coupling surface corresponds to the interface between the enclosure and the liquid metal through which the ultrasonic control wave propagates, and the solid substrate is at a portion of the enclosure that is bounded by the coupling surface. Is formed by.
초음파 제어 장치는 격납 시스템 내에 가두어질 수 있고, 격납 시스템은 액체 금속 내에 침지되고, 커플링 표면은, 초음파 제어파가 통과하여 전파되는 액체 금속과 격납 시스템의 계면에 대응하고, 고체 기판은 커플링 표면에 의해 범위가 정해지는 격납 시스템의 일부에 의해 형성된다.The ultrasonic control device may be confined within the containment system, the containment system is immersed in the liquid metal, the coupling surface corresponds to the interface of the containment system with the liquid metal through which the ultrasonic control wave propagates and the solid substrate is coupled to the coupling system. It is formed by a portion of the containment system that is delimited by the surface.
일 실시예에 따르면, 챔버는 원자로 용기일 수 있고, 액체 금속은 나트륨 또는 납을 함유한다.According to one embodiment, the chamber may be a reactor vessel, and the liquid metal contains sodium or lead.
다른 이점 및 특징은, 비한정적인 예에 의해 제공되고 아래에서 열거되는 도면에 도시되는, 본 발명의 특정 예에 대한 이어지는 설명으로부터 더욱 명확하게 드러날 것이다.Other advantages and features will become more apparent from the following description of specific examples of the invention, which is provided by non-limiting examples and shown in the figures enumerated below.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예를 도시한다. 도 1b는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 도 1c는 도 1a의 상세를 도시한다. 도 1d는 도 1b의 상세를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명을 사용하지 않고 액체 주석의 도금조(bath)에 침지된 알루미늄 합금 와이어의 단면도와 본 발명을 사용하여 액체 주석의 도금조에 침지된 알루미늄 합금 와이어의 단면도를 각각 도시한다. 도 2c는 도 2b의 상세도이다. 도 2d 및 도 2e는 본 발명을 사용하여 액체 주석의 도금조에 침지된 알루미늄 합금 와이어의 종단면도를 도시한다. 도 2e는 도 2d의 상세도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 방법이 적용된 알루미늄 와이어의 단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 것이다. 도 3b는 도 3a의 상세를 도시한다. 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f는 도 3b에서의 상이한 분석 지점에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다.
도 4a는 본 발명에 따른 방법이 적용된 알루미늄 와이어의 종단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 것이다. 도 4b는 도 4a의 상세를 도시한다. 도 4c, 도 4d, 도 4e 및 도 4f는 도 4b에서의 상이한 분석 지점에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다.
도 5a는 본 발명에 따른 방법이 적용된 알루미늄 와이어의 단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 것이다. 도 5b 및 도 5c는 도 5a의 2개의 관심 영역을 도시한다. 도 5d, 도 5e 및 도 5f는 도 5b에서의 상이한 분석 지점에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다. 도 5g 및 도 5h는 도 5c에서의 상이한 분석 지점에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다.
도 6a 및 도 6b는 기판 상에 금속 부착물을 형성하기 위한 제1 적용예에 따른 본 발명의 사용예이다.
도 7a 및 도 7c는 원자로 용기의 비파괴 시험에 관한 제2 적용예에 따른 본 발명의 2가지 사용예를 개략적으로 도시한다. 도 7b 및 도 7d는 각각 도 7a 및 도 7c의 상세도이다.1A shows a first embodiment of the present invention. 1B shows a second embodiment of the present invention. FIG. 1C shows the detail of FIG. 1A. FIG. 1D shows the detail of FIG. 1B.
2A and 2B show cross-sectional views of aluminum alloy wires immersed in a bath of liquid tin without using the present invention, and cross-sectional views of aluminum alloy wires immersed in a bath of liquid tin using the present invention, respectively. . FIG. 2C is a detailed view of FIG. 2B. 2D and 2E show longitudinal cross-sectional views of an aluminum alloy wire immersed in a plating bath of liquid tin using the present invention. FIG. 2E is a detail of FIG. 2D.
Figure 3a is a cross-sectional view of a cross section of the aluminum wire to which the method according to the present invention is applied. FIG. 3B shows the detail of FIG. 3A. 3C, 3D, 3E and 3F are X-ray fluorescence spectra corresponding to different analysis points in FIG. 3B.
Figure 4a is a scanning electron microscope to observe the longitudinal section of the aluminum wire to which the method according to the invention is applied. 4B shows the details of FIG. 4A. 4C, 4D, 4E and 4F are X-ray fluorescence spectra corresponding to different analysis points in FIG. 4B.
Figure 5a is a cross-sectional view of an aluminum wire to which the method according to the present invention is applied with a scanning electron microscope. 5B and 5C show the two regions of interest of FIG. 5A. 5D, 5E and 5F are X-ray fluorescence spectra corresponding to different analysis points in FIG. 5B. 5G and 5H are X-ray fluorescence spectra corresponding to different analysis points in FIG. 5C.
6A and 6B are examples of use of the invention in accordance with a first application for forming a metal deposit on a substrate.
7a and 7c schematically show two uses of the invention according to a second application for nondestructive testing of a reactor vessel. 7B and 7D are detailed views of FIGS. 7A and 7C, respectively.
초음파의 사용은 다양한 산업 응용 분야에서 일반적이다. 초음파는, 예를 들어, 세정(cleaning) 용도에의 적용에 고전력으로 사용될 수 있다. 일반적으로, 초음파는 재료나 구조에서의 비파괴 시험의 용도에의 적용에 저전력으로 사용된다.The use of ultrasound is common in a variety of industrial applications. Ultrasound can be used at high power, for example, for application in cleaning applications. In general, ultrasonic waves are used at low power for applications in nondestructive testing applications in materials and structures.
본 발명은 액체 금속에 의한 고체 기판의 표면 습윤성을 증가시키기 위한 전력 초음파의 유익한 사용에 기초한다. 본 발명자들은 액체 금속에 의해 형성된 도금조(bath)에 침지된 금속 또는 세라믹 기판에 고전력 초음파를 인가하는 것이 액체 금속에 의한 기판 표면의 습윤성을 증가시키는 것을 발견하였다.The present invention is based on the beneficial use of power ultrasound to increase the surface wettability of solid substrates by liquid metal. The inventors have found that applying high power ultrasound to a metal or ceramic substrate immersed in a bath formed by liquid metal increases the wettability of the substrate surface by the liquid metal.
제1 적용예에 따르면, 본 발명은 기판 상에 금속층을 부착(deposit)시키는 데 사용된다. 제1 실시예가 도 1a에 도시된다. 제1 재료, 예를 들어, 알루미늄 합금 또는 세라믹에 의해 형성된 고체 기판(21)은 액체 상태의 제2 금속 (22)의 도금조에 침지된다. 본 예에서, 액체 금속은 주석이다. 액체 금속 도금조는 인클로저(enclosure)(20)를 형성하는 도가니에 포함된다. 본 예에서, 액체 금속(22)의 질량은 5kg이고, 금속조는 350℃의 온도로 가열된다. 액체 금속의 용융 온도는 엄격히 기판을 형성하는 제1 재료의 용융 온도 미만이어야 한다.According to a first application, the invention is used to deposit a metal layer on a substrate. A first embodiment is shown in FIG. 1A. The
전력 생성기(또는 초음파 모터)로서 알려진 초음파 생성기 장치(10)가 인클로저(20) 근처에 배치되고, 도파관(12)이 초음파 생성기(10)와 액체 금속 도금조(22) 사이에 연장된다. 도파관(12)은 액체 금속(22) 내로 잠기며, 초음파 생성기(10)에 의해 방출된 초음파(11)가 액체 금속(22) 내에 전파될 수 있게 한다. 초음파 생성기(10)는, 예를 들어, 교류 전기 분극을 거칠 때 변형될 수 있는 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)이고, 상기 변형은 초음파 음향파(11)를 발생시킨다. 초음파(11)는 도파관(12) 내부에 전파된다. 도파관은, 예를 들어, 티타늄을 기반으로 하는 금속 또는 경질 세라믹(rigid ceramic)으로 형성될 수 있다.An
전력 생성기(10)에 의해 방출된 초음파(11)는 고전력파이다. 높은 전력은 10W 내지 200W 또는 그 이상을 의미하며, 따라서 기판(21)에서의 전력 밀도는 액체 금속(22)의 캐비테이션 임계값(cavitation threshold)보다 더 크다. 캐비테이션 임계값은 표면 전력 밀도에 따라 표현될 수 있으며, 이 경우에 액체 금속(22) 및 온도에 따라 1 W/cm2 이상, 또는 심지어 5 W/cm2 이상, 또는 10 W/cm2보다 훨씬 더 클 수 있다. 또한, 바람직하게는, 초음파(11)의 전력은, 고체 기판의 표면 전부 또는 표면 일부에 대해 액체 금속(22)의 캐비테이션 임계값보다 더 큰 표면 전력 밀도를 얻도록 조정된다.The
액체 매질에서의 캐비테이션의 출현은 음향파를 발생시키며, 상기 음향파의 검출은 상기 캐비테이션의 발생을 검출할 수 있게 한다. 액체 금속 내의 캐비테이션 임계값은, 이러한 음향파의 검출에 기초한 방법에 의해 실험적으로 결정될 수 있다. FR2404850 및 EP0221796 문헌에서 그 예가 제공된다. 또한, 광학적 캐비테이션 검출 방법은 WO2006034040에 설명된다.The appearance of cavitation in the liquid medium generates acoustic waves, and the detection of the acoustic waves makes it possible to detect the occurrence of the cavitation. Cavitation thresholds in liquid metal can be determined experimentally by methods based on the detection of such acoustic waves. Examples are provided in the documents FR2404850 and EP0221796. In addition, an optical cavitation detection method is described in WO2006034040.
본 발명자들은 기판(21)과 액체 금속(22) 사이의 계면에서의 캐비테이션 버블의 형성 및 전파가 액체 금속(22)에 의한 기판(21)의 습윤성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 이 효과는 기판(21)의 표면과 접촉하거나 기판(21)의 근처에 있는 캐비테이션 버블의 상호 작용, 특히 캐비테이션 버블의 내파(implosion) 덕분이다. 이는 기판(21)과 액체 금속(22) 사이의 계면에서 표면 장력을 감소시킨다. 이는 액체 금속(22)에 의한 기판 (21)의 표면의 습윤성을 증가시킨다. 또한, 기판이 산화물층을 가질 때, 기판과 액체 금속의 계면에 형성된 캐비테이션이 산화물층을 감소시키거나 제거할 수 있게 되어 기판(21)과 액체 금속(22) 사이의 직접 연결을 용이하게 한다는 것이 관찰되었다. 초음파 전력파(11)의 주파수가 감소할 때, 기판 상의 캐비테이션 버블의 충돌은 기판의 국부적인 용해의 영향 하에서 기판의 표면 상에 캐비티(27)를 형성한다. 캐비티(27)는 기판의 표면으로부터 수십 마이크론 또는 수백 마이크론의 깊이를 가질 수 있다. 이러한 캐비티의 형성은 기판의 표면 상태를 악화시킬 수 있다.The inventors have discovered that the formation and propagation of cavitation bubbles at the interface between the
액체 금속(22)에 의한 기판(21)의 표면의 습윤성의 증가의 결과로서, 코팅층이라 불리는 액체 금속층(25)이 기판 상에 형성된다. 액체 금속 도금조로부터 기판(21)을 제거할 때, 코팅층(25)은 기판(21) 주위에 잔류한다. 코팅층은 냉각되고 응고되어, 시간이 지남에 따라 내구성 있는 고체 부착물(solid deposit)을 형성한다.As a result of the increase in the wettability of the surface of the
전력파로 알려진 초음파의 주파수는 바람직하게는 10 kHz 내지 250 kHz, 바람직하게는 10 내지 100 kHz이다. 주파수가 높을수록 기판 표면 상의 캐비테이션 버블의 영향이 낮아져, 캐비티(27)의 형성을 감소시키는 것으로 생각된다. 이는 주파수가 증가할 때 캐비테이션 버블의 크기가 감소하기 때문이다. 바람직하게는, 초음파 전력파(11)의 주파수는 기판의 표면 상태를 보존하기 위하여 이러한 캐비티의 출현을 제한하거나 심지어 방지하도록 조정된다.The frequency of the ultrasonic waves known as power waves is preferably 10 kHz to 250 kHz, preferably 10 to 100 kHz. The higher the frequency, the lower the effect of cavitation bubbles on the substrate surface, which is believed to reduce the formation of the
따라서, 초음파(11)의 주파수는 20 kHz보다 커야 하고, 바람직하게는 40 kHz보다 커야 하는 것이 유익하다. 캐비티를 형성하지 않으면서 기판(21)에 대한 캐비테이션 버블의 영향이 피상적이게 되도록 하기 위해서는, 40 kHz 내지 80 kHz의 범위가 최적이라고 여겨진다.Therefore, it is advantageous that the frequency of the
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 생성기(10)에 의해 방출된 초음파(11)는 인클로저(20)를 향하여 전파되어, 액체 금속(22)과 접촉하여 연장되는 경계면이라 불리는 표면(13)을 통과하고, 이 표면을 통해 액체 금속(22)에 도달하도록 초음파 전파(11)가 전파된다. 도 1a 및 도 1c에 도시된 예에서, 초음파(11)는 근위 단부가 생성기와 접촉하도록 배치되고 원위 단부가 액체 금속(22) 내로 잠기는 도파관(12)에 의해 액체 금속(22)으로 전파된다. 이 경우, 경계면(13)은 초음파(11)의 전파 방향에 직각으로 연장되는 도파관(12)의 원위 단부에 대응한다. 도 1b 및 도 1d에 도시된 예에서, 경계면(13)은, 액체 금속과 접촉하여 연장되고 전력 생성기(10)와 액체 금속 사이에 배치된 인클로저(20)의 벽이다. 일반적으로, 경계면(13)은, 액체 금속(22)과 접촉하고 초음파 전력파(11)가 전파되는 표면이다. 이는 고체 벽일 수 있고, 본 명세서의 경우에 도파관의 벽 또는 인클로저의 벽이다. 초음파(11)의 전력이 너무 높을 때, 캐비테이션 버블은 경계면(13) 근처에서 조직화되어 원추형 체적(15)을 형성할 수 있으며, 그 밑면(base)은 경계면에 대한 거리의 함수로서 다듬어진다. 원추부 내부에 이러한 캐비테이션 버블이 형성되는 것은, 예를 들어, 문헌 Dubus "Generation d'ondes de chocs et focalisation courte distance dans le champ de cavitation ultrasonore basse frequence"(저주파수 초음파 캐비테이션의 필드에서의 충격파의 생성 및 단거리 집중), 2010년 4월 12일 - 16일, 리옹, 제10회 프랑스 음향 학회(French acoustics conference)에 설명되어 있다. 하이퍼 캐비테이션 콘(hyper-cavitation cone)이라 불리는 원추부 내부에서, 캐비테이션 버블의 체적 밀도는 원추부 외부에 있는 인클로저의 나머지에서의 체적 밀도보다 더 높다. 이러한 캐비테이션 버블은 본질적으로 경계면(13)에 존재하는 캐비테이션 핵(cavitation nuclei) 때문이다.As shown in FIGS. 1A-1D, the
기판의 표면 상태를 악화시킬 수 있기 때문에, 하이퍼 캐비테이션 콘(15) 내의 높은 밀도의 캐비테이션 버블에 대한 기판(21)의 과도한 노출을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 기판(21)은, 바람직하게는, 경계면(13)으로부터 충분한 거리에 배치되고, 하나가 있다면, 하이퍼 캐비테이션 콘(15) 외부에 배치된다. 따라서, 초음파 전력파(11)는 액체 금속(22) 내에서 기판(21)에 도달하기 전에 1 cm보다 더 큰 또는 심지어 5 cm보다 더 큰 전파 거리에서 전파된다. 이것은 기판(21)이 경계면(13) 근처에 또는 하이퍼 캐비테이션 콘(15) 내에 형성된 캐비테이션 버블과 상호 작용하는 것을 방지할 수 있다.Since the surface condition of the substrate may be deteriorated, it is desirable to prevent excessive exposure of the
도 1b 및 도 1d는 전력 초음파 생성 장치(10)가 도파관(12)에 결합되고, 도파관(12)은 초음파 생성기(10)와 인클로저(20) 사이에서 연장되는 실시예를 도시한다. 이러한 방식으로, 도파관은 액체 금속(22) 내에 침지되지 않지만, 인클로저(20)의 벽을 통해 초음파(11)를 전송한다. 하나의 변형예에 따르면, 초음파 생성기(10)는 생성기와 인클로저 사이에서 연장되는 도파관(12) 없이 인클로저(20)에 대하여 직접 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 경계면(13)은 초음파 전력파(11)가 전파되는 액체 금속(22)과 접촉하는 인클로저(20)의 벽에 대응한다. 도 1d는 인터페이스 표면(13)으로부터 액체 금속(22) 내로 연장되는 하이 캐비테이션 콘(15)의 형성을 도시한다.1B and 1D show an embodiment in which the
실시예가 무엇이든 간에, 초음파(11)에 대한 기판(21)의 노출 기간은 1초 내지 수 분, 바람직하게는 1 초 내지 30초이다.Whatever the embodiment, the exposure period of the
실험 테스트Experimental testing
도 1a에 도시된 장치가 실험 테스트 수행하는 데 사용되었다. 사용된 기판은 우선 1.5 내지 2 mm의 직경의 5XXX 유형의 알루미늄 합금 와이어이었다. 액체 금속(22)은 350℃의 온도로 가열된 주석으로 이루어졌다. 기판은 5 내지 10초의 기간 동안 인클로저(20)에 침지되었다. 기판(21)은 인클로저(20)에 침지되기 전에 세정(cleaning), 디그리싱(degreasing) 또는 피클링(pickling)과 같은 어떠한 전처리도 받지 않았다. 와이어의 표면은 얇은 알루미늄(알루미늄 산화물)층을 포함하였다. 제1 제어 테스트 동안, 초음파에 노출되지 않으면서, 기판은 인클로저에 침지되었고, 그 다음 제거되었다. 도 2a는 횡방향으로의 와이어의 부분, 즉 단면을 도시한다. 주석은 기판에 습윤되지 않았고, 기판이 인클로저에서 제거될 때, 기판의 표면에 어떠한 주석 부착물도 남지 않는다.The apparatus shown in FIG. 1A was used to perform an experimental test. The substrate used was first a 5XXX type aluminum alloy wire with a diameter of 1.5 to 2 mm. The
그 다음, 제2 시험이 수행되었고, 그 동안 1.5 mm 직경의 5XXX 알루미늄 와이어가 액체 주석 도금조에 침지되었다. 실험 파라미터는 다음과 같다.Then, a second test was performed, during which 1.5 mm diameter 5XXX aluminum wire was immersed in the liquid tin plating bath. Experimental parameters are as follows.
- 도파관: 티타늄 TA6V - 길이 375 mm - 직경 30 mmWaveguide: Titanium TA6V-Length 375 mm-
- 초음파의 주파수: 20 kHzUltrasonic Frequency: 20 kHz
- 도파관과 기판 사이의 거리: 10 cmDistance between waveguide and substrate: 10 cm
초음파(11)에 노출된 후, 기판(21)은 액체 금속으로부터 제거되고 이어서 냉각되었다.After exposure to the
도 2b는 횡방향으로의 기판의 단면의 광학 현미경 관찰을 도시한다. 기판(21) 주위에 부착물을 형성하는 주석층(25)이 구별될 수 있다. 도 2c는 도 2b의 상세를 도시한다. 이것은 주석층(25)이, 5 내지 30 ㎛의 두께를 가지면서, 기판(21) 주위에 연장되는 것을 도시한다.2b shows an optical microscope observation of the cross section of the substrate in the transverse direction. Tin layers 25 forming deposits around the
도 2d는 길이 방향을 따르는 기판(21)의 단면(또는 길이 방향 단면)을 도시한다. 도 2e는 도 2d의 상세를 도시한다. 이것은 주석층(25)이, 5 내지 30 ㎛의 두께를 가지면서, 관찰 필드(field of observation)의 전체 길이를 따라 연장되는 것을 도시한다.2D shows a cross section (or longitudinal cross section) of the
제3 테스트에서, 사용된 기판은 2.5 mm 두께의 알루미늄 슬라브이었다. 알루미늄 슬라브 상의 주석층의 형성이 또한 관찰되었고, 주석층의 두께는 10 내지 50 ㎛이었다.In a third test, the substrate used was a 2.5 mm thick aluminum slab. The formation of a tin layer on the aluminum slab was also observed and the thickness of the tin layer was 10 to 50 μm.
도 3a는 횡방향으로 1 mm 직경의 1XXX 알루미늄 합금 와이어의 단면 에 대한 전계 효과 X-선 소스를 이용한 주사 전자 현미경 관찰을 도시한다. 와이어는, 도 1a에 도시된 실시예에 따라, 260℃로 가열된 액체 주석의 도금조에 침지되었고, 20 kHz의 주파수의 초음파(11)에 노출되었다. 초음파 전력은 100 W이었다. 기판(21) 주위에 부착된 주석층(25)이 관찰될 수 있다. 도 3a에서, 관심 영역(A)이 표시되었고, 이는 도 3b의 대상이다. 이 관심 영역에서, 4개의 분석 지점이 식별되었으며, 이에 대해 X-선 형광 스펙트럼 분석이 수행되었다. 도 3c, 도 3d, 도 3e 및 도 3f는 각각 도 3b에 도시된 분석 지점 A1, A2, A3 및 A4에 대응하는 스펙트럼이다. 각각의 스펙트럼에서, 탐색된 요소에 대응하는 에너지는 수직 막대로 식별된다. 도 3c는 주석 코팅층(25)에 대응하고, 이 코팅층은 액체 금속, 이 경우에는 주석에 의해 형성된다는 것을 확인한다. 도 3d는 기판(21)에서 깊은 위치에 있는 지점 A2에 대응한다. 알루미늄 합금을 나타내는 스펙트럼이 획득된다. 도 3e는 점 A3에 대응하고, 알루미늄 산화물의 존재를 나타낸다. 지점 A3에서, 코팅층(25)은 기판(21)을 직접 습윤시키지 않지만, 잔류 산화물층(26)을 직접 습윤시키는 것으로 보이는 것을 알 수 있다. 도 3f는 기판(21)과 코팅층(25) 사이의 계면에 위치된 지점 A4에 대응한다. 스펙트럼은 약간의 주석과 함께 지배적인 알루미늄 함량을 반영한다. 이 지점에서, 산화물층은 제거되었고, 액체 금속(22)은 기판(21)을 직접 습윤시킨다. 캐비테이션은 기판 주위로 연장되는 산화물층(26)을 점진적으로 감소시키거나 제거하는 효과를 갖는 것으로 보인다. 케비테이션에 의해 산화물층이 제거되면(지점 A4), 기판(21)에 대한 코팅층(25)의 직접 접착이 획득된다. 케비테이션에 의해 산화물층이 완전히 제거될 수 없으면(지점 A3), 코팅층(25)과 기판(21) 사이에 산화물층(26)이 잔류하고, 기판(21)과 코팅층(25) 사이에 전기적 연속성은 없다. 이 전기적 연속성은, 예를 들어, 전기 연결 용도에의 적용을 위한 부착물의 경우에 특히 추구된다. 따라서, 이러한 유형의 적용을 위하여, 산화물 층을 제거하고자 한다.3A shows scanning electron microscopy using a field effect X-ray source for a cross section of a 1XXX diameter 1XXX aluminum alloy wire in the transverse direction. The wire was immersed in a plating bath of liquid tin heated to 260 ° C., according to the embodiment shown in FIG. 1A, and exposed to
도 4a는 인가된 초음파(11)의 전력을 증가시키면서 도 3a 내지 도 3f와 관련하여 설명된 와이어와 유사한 방식으로 처리된 와이어의 길이 방향 전계 효과 X-선 소스를 이용하는 주사 전자 현미경 관찰을 도시한다. 기판(21) 주위에 부착된 주석 코팅층(25)을 볼 수 있고, 층의 두께는 10㎛ 정도이다. 코팅층(25)이 100 미크론 또는 200 미크론보다 더 깊을 수 있는 캐비티(27)에서 기판 내부를 국부적으로 관통하는 것을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 액체 금속(22)은 기판(21) 내로 국부적으로 관통하고, 캐비티(27)는 개기공(open pore)을 형성한다. 도 4a는, 캐비티(27)에 대응하고 도 4b의 대상을 형성하는 관심 영역(B)의 범위를 정한다. 이 관심 영역에서, 4개의 분석 지점이 식별되었고, 여기에서 X-선 형광 분광 분석이 수행되었다. 도 4c, 도 4d, 도 4e 및 도 4f는 도 4b에 각각 도시된 분석 지점 B1, B2, B3 및 B4에 대응하는 스펙트럼이다. 지점 B1(도 4c)은 국부적인 알루미늄 잔류물에 대응한다. 이 잔류물은 200 마이크론 깊이의 캐비티(27) 내에 매립되어 있으며, 캐비티는 주석으로 채워져 있다. 지점 B2(도 4d)는 기판 내에 구리를 포함하는 것을 나타낸다. 지점 B3(도 4e)은 기판 재료, 이 경우 알루미늄 합금에 대응한다. 지점 B4(도 4f)와 관련하여, 이것은 캐비티(27) 내의 재료, 이 경우에는 주석을 나타낸다.4A shows scanning electron microscopy using a longitudinal field effect X-ray source of a wire processed in a manner similar to the wire described with respect to FIGS. 3A-3F while increasing the power of the applied
도 5a는 도 4a 내지 도 4f와 관련하여 설명된 와이어와 유사한 방식으로 처리 된 2.5 mm 두께의 알루미늄 시트 형태의 기판(21)의 길이 방향 전계 효과 X-선 소스를 이용하는 주사 전자 현미경 관찰을 도시한다. 기판(21)의 양 측면 상에 형성되는 주석 코팅층(25)이 관찰될 수 있다. 캐비티(27)가 또한 보인다. 도 5a에는 두 개의 관심 영역(C 및 D)이 표시되어 있으며, 이들은 도 5b 및 도 5c의 대상이다. 관심 영역(C)은 시트의 표면으로부터 대략 250 ㎛의 깊이로 연장되는 캐비티(27)에 대응한다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 5b에 도시된 분석 지점 C1, C2 및 C3에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다. 지점 C1(도 5d)는 기판 재료(21), 이 경우에는 알루미늄 합금에 대응한다. 지점 C2(도 5e)는 캐비티(27)를 채우는 재료, 이 경우에는 주석을 나타낸다. 지점 C3(도 5f)는 지배적인 알루미늄 및 약간의 주석을 갖는 기판(21)과 캐비티(27) 사이의 계면에 대응한다. 따라서, 캐비티(27)에서 주석은 알루미늄을 직접 습윤시킨다.FIG. 5A shows a scanning electron microscopy using a longitudinal field effect X-ray source of a
도 5g 및 도 5h는 도 5c에 도시된 분석 지점 D1 및 D2에 대응하는 X-선 형광 스펙트럼이다. 이러한 분석 지점은 기판(21)과 주석 코팅층(25) 사이의 계면에 위치된다. 지점 D1(도 5g)에서, 잔류하는 약간의 알루미늄 산화물(고진폭 산소 피크)이 관찰되는 반면, 지점 D2(도 5h)에서, 스펙트럼은 알루미늄 합금을 나타낸다. 이 지점에서 산화물층이 제거되었으며, 이는 기판이 주석에 의해 직접 습윤되게 한다.5G and 5H are X-ray fluorescence spectra corresponding to analysis points D1 and D2 shown in FIG. 5C. This analysis point is located at the interface between the
실험 테스트는 캐비테이션 버블에 의한 산화물 층(26)의 부분적 파괴 또는 전체 파괴 후에 코팅층(25)이 형성되는 것을 보여준다. 전력이 증가할 때(또는 주파수가 감소할 때) 캐비티(27)가 기판의 표면 상에 형성된다. 이러한 캐비티는 깊이가 50 ㎛보다 클 수 있고, 깊이가 200 ㎛보다 클 수 있다. 이러한 캐비티는 기판(21)의 표면 상태의 악화를 야기할 수 있다.Experimental tests show that the
이전의 예에서, 기판(21)은 금속성이고, 금속으로 제조된다. 테스트는 제1 비금속 재료로 이루어진 기판 상에서 성공적으로 수행되었다. 아래의 표는 테스트된 여러 구성을 요약한다.In the previous example, the
[표 1: 제1 적용예를 위하여 테스트된 구성]Table 1: Configurations Tested for First Application Example
표 1에서 참조된 SiAlON 세라믹은 당해 기술 분야에서의 통상의 기술자에게 알려진 세라믹이고, 실리콘 알루미늄 옥시나이트라이드라는 용어로 표시된다.SiAlON ceramics referenced in Table 1 are ceramics known to those skilled in the art and are denoted by the term silicon aluminum oxynitride.
액체 금속이 알루미늄인 경우, 유익하게는, 이는 20ppm의 농도 또는 0.05%보다 더 크거나 심지어 0.5% 또는 0.7%보다 더 크지만 1% 미만인 질량 분율의 마그네슘을 함유할 수 있다. 이것은 액체 알루미늄의 캐비테이션 임계값을 감소시킨다. 목표로 하는 하나의 적용예는 금속, 예를 들어 강철을 알루미늄으로 도금하는 것이다.If the liquid metal is aluminum, it may advantageously contain a concentration of magnesium at a concentration of 20 ppm or greater than 0.05% or even greater than 0.5% or 0.7% but less than 1%. This reduces the cavitation threshold of liquid aluminum. One target application is to plate a metal, for example steel, with aluminum.
이전에 설명된 실험 테스트에서 테스트된 방법은, 예를 들어 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 같은 장치를 이용하여 산업적으로 사용될 수 있다. 도 6a는 권출 릴(51) 및 권취 릴(52)을 포함하는 장치를 도시한다. 와이어(21)는, 권출 릴(51)로부터 권출되고 인클로저(20) 내에 액체 금속(22)을 포함하는 도금조를 통과한 후에 권취 릴(52)에서 권취된다. 와이어의 이동은 수평 화살표로 표시된다. 프리휠(53)은 와이어의 궤도를 조정하는 데 사용된다. 액체 금속(22)의 도금조는 인클로저(20)의 바닥 아래에 정렬된 생성기(10)에 의해 생성된 초음파 음파(11)를 받으며, 도파관(12)은 각각의 전력 생성기(10) 및 인클로저(20)의 바닥 사이에 연장된다. 도금조 내의 와이어 부분의 이동 시간은 구동 속도에 따라 조정되며, 1 초 이상, 바람직하게는 1 초 내지 1 분, 더욱 바람직하게는 10 초 내지 1 분일 수 있다. 초음파(11)에 노출되는 동안, 액체 금속은 코팅층(25)의 형태로 와이어 주위에 부착된다. 와이어가 액체 도금조로부터 빠져나오면, 코팅층(25)은 응고되어 부착물을 형성한다. 도 6b는 도 6a의 변형예를 도시한다. 초음파는 도파관(12)에 결합된 생성기(10)에 의해 생성되며, 도파관(12)은 액체 금속(22) 내로 잠긴다. 음향파(11)는 액체 금속(22) 내에서 음향파(12')를 전파하도록 변형될 수 있는 관 형상(tubular shape)의 보조 도파관(12')에 의해 전파된다.The method tested in the previously described experimental test can be used industrially, for example using a device such as shown in FIGS. 6A and 6B. 6A shows an apparatus that includes a take-
고체 기판(21)의 표면 상에 코팅층(25)을 형성하는 것은Forming the
- 부식 방지 보호;-Anti-corrosion protection;
- 도전층의 형성;Formation of a conductive layer;
- 가용접(tack weld)에서 코팅층의 국부 용융에 의한 용접 보조Welding aids by local melting of the coating layer in tack welds
와 같은 적용예를 가질 수 있다.It may have an application such as.
일 변형예에 따르면, 기판은 2개의 연속하는 도금조를 연속적으로 거칠 수 있으며, 제1 도금조는 제1 박형 코팅층을 형성하기 위한 것이고, 제2 도금조는 코팅층의 두께를 증가시키기 위한 것이다.According to one variant, the substrate may successively go through two successive plating baths, the first plating bath for forming the first thin coating layer, and the second plating bath for increasing the thickness of the coating layer.
제2 적용예에 따르면, 본 발명은 초음파 생성기 제어 장치(30)와 액체 금속(22) 사이의 계면에 놓인 고체 기판(21)의 습윤성을 증가시키는 데 사용될 수 있다. 그 다음, 고체 기판(21)은 액체 금속(22)을 포함하는 인클로저(20)의 벽(20p)의 일부(도 7a), 또는 초음파 제어 장치(30)를 가두고 액체 금속(22) 내에 침지된 격납 시스템(35)의 일부(도 7c)이다. 액체 금속(22)의 증가된 습윤성은, 전술한 바와 같이, 기판 상에 코팅층을 형성하는 데 사용되지 않고, 인클로저에서의 비파괴 시험을 위하여 의도된 제어 초음파(31)의 전송 특성을 개선시키는 데 사용된다.According to a second application, the invention can be used to increase the wettability of the
도 7a는 냉각제가 액체 금속(22), 특히 액체 나트륨 또는 액체 납에 의해 형성된 고속 중성자 원자로 용기(20)를 도시한다. 가압수형 원자로에서 사용되는 물과 달리, 액체 나트륨은 광학적으로 불투명하다. 따라서, 음향파의 사용은 작업의 지속적인 모니터링을 위하여 또는 유지 보수 작업 동안에 유용하다. 불투명한 매질에서의 "시각화", 거리 측정, 표면 계측, 결함 또는 균열의 검출과 같은 많은 적용예가 있다. 주목할 만한 제한 사항은 냉각제가 액체 상태에서 유지하게 되는 높은 온도이고, 이 온도는 유지 보수 작업을 위한 200℃ 내지 원자로가 작동 중일 때의 550℃에서 변동한다. 초음파 제어 장치(30)는, 초음파 제어파(31)를 방출하도록 사용되며, 또한 초음파 제어파의 방출 및 반사된 초음파의 검출 사이의 시간을 측정하도록 검출기 역할을 할 수 있다. 초음파 제어파(31)는 전력 초음파(11)의 전력 밀도보다 작은 표면 전력 밀도로, 예를 들어 10배 더 낮게 전파된다. 초음파 제어파(31)의 주파수는 초음파 전력파(11)의 주파수보다 더 크다. 그 주파수는 통상적으로 1 MHz 내지 100 MHz이다. 액체 금속에서의 초음파 제어파의 전력 밀도는 캐비테이션 임계값 미만이다.7a shows a fast
초음파 제어 장치(30)는, 초음파 제어파(31)를 용기의 벽(20p)을 통해 전파시키도록 용기에 대하여 용기 외부에 배치될 수 있다. 이때, 용기는 인클로저(20)를 형성하며, 이를 통하여 초음파(31)가 초음파 제어 장치(30)와 액체 금속(22) 사이로 전파된다. 액체 금속과 접촉하고 초음파 제어파(31)가 전파되는 인클로저의 표면은 이른바 커플링 표면(23)을 형성한다. 커플링 표면(23)을 통한 초음파 제어파(31)의 전송을 최적화하기 위해, 커플링 표면 상의 액체 금속(22)의 습윤성은, 전술된 바와 같이, 초음파 전력파(11)에 커플링 표면(23)을 노출시켜 개선될 수 있다. 이것은 용기의 벽(20p)을 통한 초음파 제어파(31)의 전송을 용이하게 한다. 따라서, 커플링 표면(23)은 전력 초음파 생성기(10)에 의해 방출된 전력 초음파(11)에 노출된다. 도 7b에서 알 수 있는 바와 같이, 커플링 표면(23)은 커플링 표면의 근처에서 용기(20)의 벽(20p)을 형성하는 금속으로 이루어진 고체 기판(21)의 범위를 정한다. 전력 초음파(11)의 인가는 액체 금속(22)에 의한 기판(21)의 표면의 습윤성을 증가시키고, 커플링 표면(23)을 통한 초음파 제어파(31)의 전송을 촉진한다. 또한, 이는 커플링 표면을 통하여 용기로부터 초음파 제어 장치(30)로 전파되는, 반사된 초음파(32)의 전송을 촉진할 수 있다.The
전력 생성기(10)는 커플링 표면(23)에서 초음파 전력파(11)가 액체 금속(22)의 캐비테이션 임계값보다 큰 전력 밀도를 갖도록 마련된다. 초음파 전력파(11)의 주파수는 바람직하게는 10 kHz 내지 250 kHz이다. 용기 내에서의 캐비티의 형성을 방지하기 위하여, 캐비테이션 버블의 영향 하에서, 전력 초음파(11)의 주파수는 유익하게는 40 kHz보다 크고, 통상적으로 40 kHz 내지 80 KHz이다. 전력 생성기(10)는 용기(20) 외부에 또는 용기 내부에 마련될 수 있다. 바람직하게는, 초음파 전력파(11)는 액체 금속(22) 내에서 커플링 표면(23)에 도달하기 전에 1 cm보다 더 큰, 바람직하게는 5 cm보다 더 큰 전파 거리로 전파된다. 후자는 기판의 표면(21s)을 형성한다. 이는, 제1 적용예와 관련하여 설명된 바와 같이, 커플링 표면(23)이 지나치게 높은 밀도의 캐비테이션 버블에 노출되는 것을 방지한다.The
도 7c에 도시된 변형예에 따르면, 초음파 제어 장치(30)는 용기(20)에 침지되고, 격납 금속으로 형성된 격납 시스템(35)에 가두어진다. 그 다음, 도 7d에서 알 수 있는 바와 같이, 격납 시스템(35)은 액체 금속과 접촉하여 연장되는 커플링 표면(33)을 형성하고, 이를 통해 제어파(31)가 초음파 제어 장치(30)로부터 액체 금속(22)으로 전파한다. 커플링 표면(33)은 격납 시스템(35)을 형성하는 금속으로 이루어진 고체 기판(21)의 범위를 정한다. 초음파 전력파(11)의 인가는 격납 시스템 (35)의 금속에서의 액체 금속(22)의 습윤성을 증가시키며, 커플링 표면(33)을 통한 초음파 제어파(31)의 전송을 촉진한다. 또한, 이는 용기로부터 초음파 제어 장치(30)로 전파되는 반사된 초음파(32)의 전송을 촉진할 수 있다. 전력 생성기(10)는, 초음파 전력파(11)가 커플링 표면(23)에서 액체 금속의 캐비테이션 임계값보다 더 큰 전력 밀도를 갖도록 마련된다. 초음파 전력파(11)의 주파수는 바람직하게는 10 kHz 내지 250 kHz이다. 40 KHz보다 낮은 주파수, 예를 들어 20 kHz는 커플링 표면(33)의 레벨에서 격납 시스템(35) 내에 캐비티의 형성을 야기할 수 있다. 격납 시스템(35)이 교환될 수 있기 때문에, 이것은 중요하지 않다.According to a variant shown in FIG. 7C, the
표 2에 나타낸 구성은 이 적용예의 일부로서 구현될 수 있다.The configuration shown in Table 2 can be implemented as part of this application.
[표 2: 제2 실시예와 관련된 구성의 예]Table 2: Example of Configuration Related to Second Embodiment
세라믹은, 예를 들어, 실리콘 알루미늄 옥시나이트라이드(SiAlON), 실리콘 질화물(Si3N4) 또는 루비와 같은 실리콘, 알루미늄, 질소 또는 산소에 기초한 세라믹일 수 있다.The ceramic may be, for example, a ceramic based on silicon, aluminum, nitrogen or oxygen, such as silicon aluminum oxynitride (SiAlON), silicon nitride (Si 3 N 4) or ruby.
Claims (16)
a) 상기 고체 기판(21)을 인클로저(enclosure) 내부에 가두어진 액체 금속(22)과 접촉하게 하는 단계;
b) 상기 액체 금속(22) 내에서, 전력 초음파(power ultrasound) 생성 장치(10)에 의해 방출된, 전력파(11; power wave)라 불리는, 초음파를 전파시키는 단계로서, 상기 고체 기판의 표면에서, 초음파 전력파(11)의 전력 밀도가 상기 액체 금속의 캐비테이션 임계값(cavitation threshold)보다 더 크게 되도록, 상기 초음파 전력파는 상기 고체 기판(21)의 상기 표면(21s)에 도달하기 전에 상기 액체 금속(22)을 통해 전파되고, 상기 초음파 전력파의 주파수는 10 kHz 내지 250 kHz인 것인 단계;
c) 상기 초음파 전력파(11)의 전파 후에, 상기 액체 금속 내에 캐비테이션 버블(22; cavitation bubble)을 획득하는 단계로서, 상기 캐비테이션 버블은 상기 고체 기판(21)의 상기 표면(21s)에 도달하고, 상기 고체 기판(21)의 표면(21s)과 상기 캐비테이션 버블의 상호 작용은 상기 액체 금속(22)에 의한 상기 표면(21s)의 습윤성(wettability)을 증가시키는 것인 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.In the method of processing the solid substrate 21,
a) bringing the solid substrate (21) into contact with a liquid metal (22) confined within an enclosure;
b) propagating an ultrasonic wave, called a power wave 11, emitted by a power ultrasound generation device 10 in the liquid metal 22, the surface of the solid substrate In the ultrasonic power wave 11 so that the power density of the ultrasonic power wave 11 is greater than the cavitation threshold of the liquid metal, before the ultrasonic power wave reaches the surface 21s of the solid substrate 21. Propagating through metal (22), wherein the frequency of the ultrasonic power wave is between 10 kHz and 250 kHz;
c) after propagation of the ultrasonic power wave 11, obtaining a cavitation bubble 22 in the liquid metal, the cavitation bubble reaching the surface 21s of the solid substrate 21 and , The interaction of the surface 21s of the solid substrate 21 with the cavitation bubble increases the wettability of the surface 21s by the liquid metal 22.
Method comprising a.
상기 초음파 전력파(11)는 특히 상기 전력 초음파 생성 장치(10)로부터 전파되어, 상기 액체 금속(22)과 접촉하여 연장되는 이른바 경계면(13)을 통과할 수 있고,
상기 방법은, 하이퍼 캐비테이션 콘(hyper-cavitation cone)이라 불리는 원추부(15) 내부에 캐비테이션 버블을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 캐비테이션 버블의 밀도는 상기 원추부의 외부에서보다 더 크고, 상기 하이퍼 캐비테이션 콘(15)은 상기 경계면(13)으로부터 상기 액체 금속(22) 내에 연장되고,
상기 방법은, 단계 c)에서 상기 고체 기판(21)이 상기 하이퍼 캐비테이션 콘 외부에 마련되게 하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to any one of claims 1 to 3,
The ultrasonic power wave 11 can in particular propagate from the power ultrasonic generator 10 and pass through a so-called boundary surface 13 which extends in contact with the liquid metal 22,
The method includes the steps of forming a cavitation bubble inside a cone 15 called a hyper-cavitation cone,
The density of the cavitation bubble is greater than outside of the cone, the hyper cavitation cone 15 extends from the interface 13 into the liquid metal 22,
The method is characterized in that in step c) the solid substrate (21) is provided outside the hyper cavitation cone.
d) 바람직하게는 1 초 내지 1 분인 노출 기간 동안, 상기 초음파 전력파(11)에 상기 고체 기판(21)을 노출시키는 단계로서, 상기 액체 금속(22)은 상기 고체 기판 상에 코팅층(25)으로서 알려진 층을 형성하는 것인 단계;
e) 상기 인클로저로부터 상기 기판을 제거하는 단계;
f) 상기 제거 이후에, 상기 고체 기판 상에 부착물(deposit)(25)을 형성하도록 상기 액체 금속을 응고시키는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid substrate 21 is a metal substrate or a ceramic substrate,
d) exposing the solid substrate 21 to the ultrasonic power wave 11 during an exposure period of preferably 1 second to 1 minute, wherein the liquid metal 22 is coated on the solid substrate with a coating layer 25. Forming a layer known as;
e) removing the substrate from the enclosure;
f) after said removal, solidifying said liquid metal to form a deposit 25 on said solid substrate
Method further comprising a.
- 초음파 제어 장치(30)에 의해, 상기 액체 금속(22) 내에서, 커플링 표면(23, 33; coupling surface)으로서 알려진 표면을 통해, 제어파라 불리는 초음파(31)가 전파되고, 상기 커플링 표면은 상기 액체 금속(22)과 접촉하여 연장되는 상기 고체 기판(21)의 표면이고,
- 상기 고체 기판(21)은 상기 커플링 표면(23, 33)에 의해 범위가 정해져서,
단계 c) 동안, 상기 액체 금속(22) 내에서, 상기 커플링 표면(23, 33)을 통한 상기 초음파 제어파(31)의 전송을 개선하도록, 상기 액체 금속(22)에 의한 상기 고체 기판(21)의 표면의 습윤성이 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to any one of claims 1 to 5,
An ultrasonic wave 31, called a control wave, is propagated by the ultrasonic control device 30 in the liquid metal 22 via a surface known as a coupling surface 23, 33. The surface is the surface of the solid substrate 21 extending in contact with the liquid metal 22,
The solid substrate 21 is delimited by the coupling surfaces 23, 33,
During step c), in the liquid metal 22, the solid substrate by the liquid metal 22 to improve the transmission of the ultrasonic control wave 31 through the coupling surfaces 23, 33. 21) The wettability of the surface of 21) is increased.
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